【正文】 OS 復(fù)習(xí)題解姓名：時(shí)中 嚴(yán)哲 杜昇第1章 操作系統(tǒng)引論1. 什么是 馮諾依曼計(jì)算機(jī)工作模型？馮諾依曼計(jì)算機(jī)工作模型或存儲(chǔ)程序工作模型:1) 存儲(chǔ)器用來容納程序和數(shù)據(jù)；2) 程序由指令組成，并和數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。3) 指令按順序、轉(zhuǎn)跳和循環(huán)三種基本方式組織。4) 機(jī)器一起動(dòng)，就能按照程序指定的邏輯順序把指令從存儲(chǔ)器中讀出來逐條解釋執(zhí)行，自動(dòng)完成程序所描述的處理工作。5) 指令指針（CS:IP）指示當(dāng)前執(zhí)行指令，執(zhí)行完成指針會(huì)自動(dòng)調(diào)整到下一條指令。6) 當(dāng)前指令指針指向的內(nèi)存中程序，被認(rèn)為擁有機(jī)器控制權(quán)。7) 任何計(jì)算機(jī)都擁有自己的一套基本指令系統(tǒng)，高級(jí)語言程序最終需經(jīng)專門的編譯程序，翻譯為基本機(jī)器指令。2. 簡述OS的定義、作用和主要功能。1) 定義：是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)系統(tǒng)軟件；a) 是一些具有如下功能的程序模塊的集合；b) 能有效地組織和管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源c) 能合理組織計(jì)算機(jī)的工作流程，控制程序的執(zhí)行；d) 能透明地向用戶提供各種服務(wù)功能，使用戶能夠靈活、方便地使用計(jì)算機(jī)，使整個(gè) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能高效地運(yùn)行。 2）操作系統(tǒng)的作用 a) 作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者；b) 作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口；c) 用作擴(kuò)充計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)；3）操作系統(tǒng)的功能：處理機(jī)管理（進(jìn)程與線程管理）：主要任務(wù)是對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充；具體是：a) 進(jìn)程控制：負(fù)責(zé)進(jìn)行的創(chuàng)建、撤銷和狀態(tài)轉(zhuǎn)換b) 進(jìn)程同步：對(duì)并發(fā)執(zhí)行的多進(jìn)程進(jìn)行協(xié)調(diào)c) 進(jìn)程通信：負(fù)責(zé)完成進(jìn)程間的信息交換d) 進(jìn)程調(diào)度：按一定的算法進(jìn)行CPU分配存儲(chǔ)管理：主要任務(wù)是對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分配、保護(hù)和擴(kuò)充；具體為：a) 內(nèi)存分配：按一定的策略為每道程序分配內(nèi)存b) 內(nèi)存保護(hù)：保證各程序在自己的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)運(yùn)行不受其它并發(fā)執(zhí)行程序影響。c) 內(nèi)存擴(kuò)充：為允許大型作業(yè)或多作業(yè)并發(fā)運(yùn)行，必須借助虛擬存儲(chǔ)技術(shù)來獲得更大“虛擬”內(nèi)存設(shè)備管理：是OS中最龐雜、最瑣碎部分；具體為：a) 設(shè)備分配：按一定原則對(duì)設(shè)備進(jìn)行分配。為使設(shè)備能與主機(jī)并行工作，需大量采用緩沖技術(shù)和虛擬技術(shù)b) 設(shè)備傳輸控制：實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備的I/O操作，包括啟動(dòng)、中斷處理和結(jié)束處理等操作。文件管理：OS中負(fù)責(zé)信息管理部分稱為文件系統(tǒng)；a) 文件的存儲(chǔ)空間管理（分配、回收）b) 目錄管理：目錄是為方便文件管理而采用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它能提供“按名存取”功能。c) 文件操作管理：實(shí)現(xiàn)文件的基本操作，包括打開、關(guān)閉、讀、寫等。d) 文件保護(hù)：提供文件安全保護(hù)的有關(guān)功能和設(shè)施。3. 比較：單道批處理OS、多道批處理OS、分時(shí)OS和實(shí)時(shí)OS的基本特征。單道批處理OS:單道批處理系統(tǒng)l 監(jiān)督程序l 駐留內(nèi)存；l 自動(dòng)加載外部作業(yè)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)、不間斷連續(xù)運(yùn)行l(wèi) 但當(dāng)當(dāng)前執(zhí)行程序有I/O服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，CPU仍要空閑特征：自動(dòng)性、順序性和單道性 多道批處理OS：多道批處理系統(tǒng)多道程序設(shè)計(jì)技術(shù) l 用戶提交作業(yè)先在外存排隊(duì)，然后由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從隊(duì)列中選擇若干作業(yè)載入內(nèi)存，并允許它們并發(fā)（交替）執(zhí)行。l 引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)后，可帶來如下的好處。 l 提高系統(tǒng)(CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備)的利用率。l 充分發(fā)揮CPU與外設(shè)并行工作的能力。l 提高系統(tǒng)的吞吐率 。l 特征：多道性、無序性和調(diào)度性l 優(yōu)缺點(diǎn)及需要解決的問題 分時(shí)OS:分時(shí)操作系統(tǒng)形成和發(fā)展的動(dòng)力 :l 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；共享或充分利用主機(jī)；便于用戶上機(jī) 分時(shí)OS實(shí)現(xiàn)要解決的關(guān)鍵問題 :l 及時(shí)接受l 多路卡；每個(gè)終端配備可暫存用戶命令的緩沖區(qū)l 及時(shí)處理l 所有用戶作業(yè)要直接進(jìn)入內(nèi)存；l 每個(gè)用戶（作業(yè)）應(yīng)在較短的時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)處理的“時(shí)間片”； 分時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 l 單道分時(shí)處理系統(tǒng) l 具有“前臺(tái)”和“后臺(tái)”的分時(shí)系統(tǒng) l 支持多道程序設(shè)計(jì)的分時(shí)系統(tǒng) 特征 ：l 多路性、獨(dú)立性和交互性；實(shí)時(shí)OS：實(shí)時(shí)OS的引入目的（主要應(yīng)用領(lǐng)域） 1)實(shí)時(shí)控制 l 實(shí)時(shí)信息處理――要求對(duì)信息進(jìn)行及時(shí)處理 2)實(shí)時(shí)任務(wù)的類型l 按是否有周期性劃分；l 按截止時(shí)間要求嚴(yán)格與否劃分（硬、軟任務(wù)）；3)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的基本特征 l 具有多路性、獨(dú)立性、交互性、及時(shí)性和可靠性等特征. 補(bǔ)充題：試從交互性、及時(shí)性和可靠性方面，將分時(shí)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行比較。分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)在交互性、及時(shí)性和可靠性方面存在較大差別：（1）從交互性方面來看，分時(shí)系統(tǒng)的目的是滿足多用戶交互的血藥，因此，交互性是分時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問題，用戶可以通過終端與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。而實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的交互性僅限于訪問系統(tǒng)中的某些專用服務(wù)程序，其交互性受到了限制。（2）從及時(shí)性方面來看，在分時(shí)系統(tǒng)中它指的是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是以人能夠接受的等待時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)的，一般為23秒；而在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中則是以控制過程或信息處理中能夠接受的延遲為準(zhǔn)，往往是秒級(jí)、百毫秒級(jí)甚至毫秒級(jí)或更低，是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。（3）從可靠性方面來看，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的人任何差錯(cuò)都可能帶來巨大的損失，為此，往往需要采取多級(jí)容錯(cuò)措施來保證系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全可靠。分時(shí)系統(tǒng)也有可靠性要求但相對(duì)較低。4. 簡述目前研究/學(xué)習(xí)OS的兩種主要觀點(diǎn)（虛擬觀點(diǎn)和資源管理觀點(diǎn)）。1) 虛擬觀點(diǎn)：l 是對(duì)OS一種由頂向下的俯視。l 裝有OS的計(jì)算機(jī)極大地?cái)U(kuò)展了原有計(jì)算機(jī)的功能。把包含由各種硬件、復(fù)雜底層操作細(xì)節(jié)隱藏起來，使得用戶的操作和使用，由復(fù)雜變得簡單，由低級(jí)操作變?yōu)楦呒?jí)操作，把基本功能擴(kuò)展為多種功能。l 在裸機(jī)上裝上OS后，對(duì)用戶來說好像是得到了一個(gè)擴(kuò)展的，使用更方便的計(jì)算機(jī)。2) 資源觀點(diǎn)：l 是目前對(duì)OS描述的主要觀點(diǎn)，是一種對(duì)OS功能位置由底向上的觀察的觀點(diǎn)。l 把資源分為軟、硬件資源，硬件資源又包括CPU,主存、輸入輸出設(shè)備。相應(yīng)的OS就有處理機(jī)管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理，和針對(duì)軟信息資源—文件的磁盤管理/文件管理5. 為什么說OS極大擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)的功能？裝有OS的計(jì)算機(jī)極大地?cái)U(kuò)展了原有計(jì)算機(jī)的功能，原因如下：OS把包含由各種硬件、復(fù)雜底層操作細(xì)節(jié)隱藏起來，使得用戶的操作和使用，由復(fù)雜變得簡單，由低級(jí)操作變?yōu)楦呒?jí)操作，把基本功能擴(kuò)展為多種功能。在裸機(jī)上裝上OS后，對(duì)用戶來說好像是得到了一個(gè)擴(kuò)展的，使用更方便的計(jì)算機(jī)。第2章 進(jìn)程的描述與控制1. 針對(duì)：1）單任務(wù)OS環(huán)境下程序順序執(zhí)行，2）多任務(wù)OS環(huán)境下的多道程序并發(fā)執(zhí)行，試分析它們分別具有哪些特征？為什么？1）單任務(wù)OS環(huán)境下程序順序執(zhí)行:單任務(wù)環(huán)境下的“可執(zhí)行”程序n 未執(zhí)行前的程序是可執(zhí)行格式的二進(jìn)制程序文件，通常被持久存儲(chǔ)在外存（磁盤）中；n 程序被加載到主存并獲得CPU控制權(quán)后,將按其中指令所規(guī)定的邏輯順序被依次執(zhí)行；邏輯順序結(jié)構(gòu)：順序、選擇、重復(fù)（循環(huán)）n 通?？刹捎没蛞肭膀?qū)圖[節(jié)點(diǎn)＋有向邊]，來描述程序中不同單元或程序段之間的關(guān)系；n 以實(shí)模式執(zhí)行，具有最大的權(quán)限，可存取控制所有計(jì)算機(jī)軟硬資源；程序執(zhí)行具有以下基本特點(diǎn)：n 順序性n 封閉性n （結(jié)果）可再現(xiàn)性。2）多任務(wù)OS環(huán)境下的多道程序并發(fā)執(zhí)行:多道程序并發(fā)執(zhí)行情況示例本例中，程序片段S1與S2可并發(fā)執(zhí)行并發(fā)可有效提高系統(tǒng)的吞吐量多道程序并發(fā)執(zhí)行的特征：n 間斷性（切換執(zhí)行）n 失去封閉性（共享系統(tǒng)的資源）n 結(jié)果不可再現(xiàn)性為有效管理和調(diào)度多道并發(fā)執(zhí)行程序須引入可完整描述每道執(zhí)行中程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該思想逐步進(jìn)化完善232。進(jìn)程(process)概念。2. 深入理解進(jìn)程的概念，試說明進(jìn)程的基本特征及現(xiàn)代OS中引入進(jìn)程的意義。提示：進(jìn)程是現(xiàn)代OS最重要的概念之一，是為了能有效管理（正在被并發(fā)執(zhí)行的）每道程序而必須引入的特別概念，或特別數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。進(jìn)程的基本特征：用戶空間是進(jìn)程的一個(gè)最主要特征!n 獨(dú)立性：每個(gè)進(jìn)程具有自己相對(duì)獨(dú)立的地址空間，除非通過進(jìn)程通信手段，否則不能相互影響n 結(jié)構(gòu)性進(jìn)程空間是結(jié)構(gòu)化的、分段組織的；n 動(dòng)態(tài)性是或包含可在其地址空間中活動(dòng)的執(zhí)行體對(duì)象n 并發(fā)性，也稱異步性在同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中允許同時(shí)存在多個(gè)進(jìn)程，微觀上它們可能是交替執(zhí)行；但宏觀上看，則似乎在同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行。操作系統(tǒng)引入進(jìn)程的意義：n 進(jìn)程是現(xiàn)代OS最重要的概念之一n 進(jìn)程的管理、切換及調(diào)度，與保護(hù)模式密切相關(guān)，需要有保護(hù)模式知識(shí)，才能清晰理解進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和實(shí)現(xiàn)過程。n 執(zhí)行進(jìn)程切換的相關(guān)代碼，被統(tǒng)稱為OS的進(jìn)程調(diào)度模塊1）通常被運(yùn)行在比 “進(jìn)程”更高的層級(jí)上；2）現(xiàn)代OS的調(diào)度代碼，通常不是一個(gè)集中的模塊，而是由分散在內(nèi)核多個(gè)位置的若干代碼片段構(gòu)成；3. 在引入進(jìn)程的OS中，進(jìn)程與（二進(jìn)制可執(zhí)行）程序這兩個(gè)概念的區(qū)別與聯(lián)系。進(jìn)程與程序的區(qū)別：l 程序是靜態(tài)的, 是有序代碼的集合, 是進(jìn)程的定義和說明對(duì)應(yīng)著一個(gè)持久外存文件，具有外存文件的性質(zhì)（創(chuàng)建/復(fù)制/刪除..)。l 進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的、暫時(shí)的，是程序的一次執(zhí)行，通常不能在計(jì)算機(jī)之間遷移。l 進(jìn)程與程序的組成不同：進(jìn)程組成包括代碼段、數(shù)據(jù)段和控制塊。l 多進(jìn)程實(shí)體可以同時(shí)存放在內(nèi)存中并發(fā)執(zhí)行，而程序不能正確并發(fā)執(zhí)行。l 進(jìn)程是一個(gè)能夠獨(dú)立運(yùn)行、獨(dú)立分配資源的和獨(dú)立接受調(diào)度的基本單位。而程序不能在多道程序環(huán)境下獨(dú)立運(yùn)行。l 進(jìn)程與程序不是意義對(duì)應(yīng)的關(guān)系。進(jìn)程與程序密切關(guān)聯(lián)：l 通過多次加載執(zhí)行，一個(gè)程序可對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)程；通過調(diào)用關(guān)系，一個(gè)進(jìn)程可涉及多個(gè)程序。4. 理解PCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的主要屬性域及作用。一個(gè)已被掛起的進(jìn)程，它的PCB是否會(huì)被交換到外存？ PCB被保存在系統(tǒng)空間可交換區(qū)、系統(tǒng)空間不可交換區(qū)，還是進(jìn)程用戶空間？1）PCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要屬性域及作用：PCB是操作系統(tǒng)內(nèi)核中一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要表示進(jìn)程狀態(tài)，是在系統(tǒng)空間不可交換區(qū)中。PCB主要內(nèi)容：l 進(jìn)程描述信息:PID,NAME, USERID,PROCESS GROUP；l 處理器現(xiàn)場保護(hù)信息: CPU內(nèi)部各寄存器；l 進(jìn)程控制信息:當(dāng)前狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)、代碼執(zhí)行入口地址、程序外存地址、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)信息(執(zhí)行時(shí)間、調(diào)度次數(shù)、頁面調(diào)度)；l 資源占用信息列表，打開資源對(duì)象句柄表；l 用于進(jìn)程間同步與通信的相關(guān)信息字段；l 指向進(jìn)程虛空間使用分配描述表指針（PCBAddressSpace )； （注意，因頁目錄/頁表占空間 較大，雖位于系統(tǒng)空間但不能安排在核心，即?PCB，頁掛起進(jìn)程頁表可能會(huì)被SWAP到外存！)PCB的主要作用：l 與進(jìn)程有關(guān)的信息被集中存儲(chǔ)在這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，它將程序變成了可并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程。2）一個(gè)已經(jīng)被掛起的進(jìn)程，它的PCB會(huì)被SWAP交換到外存。5. 什么是進(jìn)程的運(yùn)行、就緒、阻塞和掛起狀態(tài)？試描述進(jìn)程的五狀態(tài)、七狀態(tài)轉(zhuǎn)移變化圖。1）進(jìn)程的狀態(tài)：運(yùn)行狀態(tài)：一個(gè)進(jìn)程已得到CPU，其程序正在CPU上執(zhí)行；就緒狀態(tài)：進(jìn)程已獲得除CPU以外的所有必要資源，只要得到CPU便可立即執(zhí)行；阻塞狀態(tài)：正在執(zhí)行的進(jìn)程因?yàn)槟撤N事件（如I/O請(qǐng)求）的發(fā)生二暫時(shí)無法繼續(xù)執(zhí)行，只有等相應(yīng)的事件完成后才能去競爭CPU；掛起狀態(tài)：其實(shí)質(zhì)是使進(jìn)程不能繼續(xù)執(zhí)行，及時(shí)掛起后的進(jìn)程處于就緒狀態(tài)，它也不能參與CPU的競爭。2）進(jìn)程的五狀態(tài)轉(zhuǎn)移變化圖：3）進(jìn)程的七狀態(tài)轉(zhuǎn)移變化圖：單掛起：雙掛起：6. 請(qǐng)描述實(shí)現(xiàn)進(jìn)程創(chuàng)建和進(jìn)程結(jié)束的內(nèi)部基本處理流程。進(jìn)程創(chuàng)建的基本過程：216。 申請(qǐng)空白PCB（創(chuàng)建內(nèi)核進(jìn)程對(duì)象）216。 為新進(jìn)程分配資源216。 創(chuàng)建進(jìn)程地址空間框架；216。 創(chuàng)建進(jìn)程打開對(duì)象句柄表；216。 加載并映射新進(jìn)程映像到進(jìn)程用戶空間，包括分配部分物理內(nèi)存頁；216。 在進(jìn)程用戶空間中分配進(jìn)程運(yùn)行環(huán)境控制塊(PEB)；216。 初始化進(jìn)程PCB和PEB216。 將新進(jìn)程狀態(tài)置為“就緒”，并插入就緒隊(duì)列。進(jìn)程的終止/退出（EXIT())252。 根據(jù)被終止進(jìn)程標(biāo)識(shí)，從PCB隊(duì)列中檢索出該進(jìn)程PCB，從中讀出進(jìn)程狀態(tài)；252。 若被終止進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài)，應(yīng)立即中止該進(jìn)程的執(zhí)行252。 修改該進(jìn)程的狀態(tài)到終止?fàn)顟B(tài)，并立即申請(qǐng)?jiān)僬{(diào)度；252。 若還有子孫進(jìn)程，還應(yīng)將它們終止或過繼；252。 釋放進(jìn)程擁有的所有資源；252。 釋放PCB7. 請(qǐng)說明進(jìn)程與線程的區(qū)別與聯(lián)系。線程擁有獨(dú)立的用戶空間嗎？線程可以參與資源分配嗎？1）進(jìn)程與線程的區(qū)別與聯(lián)系：a) 地址空間：不同進(jìn)程的地址空間相互獨(dú)立，而同一進(jìn)程的各線程共享同一地址空間，一個(gè)進(jìn)程中的線程在另一進(jìn)程中是不可見的。b) 通信關(guān)系：進(jìn)程間通信必須通過OS提供的進(jìn)程間通信機(jī)制，而同一進(jìn)程的線程間通信可以通過直接讀寫進(jìn)程數(shù)據(jù)段如全局變量進(jìn)行（仍需要同步互斥機(jī)制保證數(shù)據(jù)訪問的一致性）。c) 調(diào)度切換：同一進(jìn)程中的線程上下文切換比進(jìn)程上下文切換快得多。d) 線程與進(jìn)程相比的主要優(yōu)點(diǎn):n 創(chuàng)建、終止、切換快，系統(tǒng)開銷少；n 通信方便n 由于同進(jìn)程內(nèi)線程間共享內(nèi)存和文件資源，故可直接進(jìn)行不通過內(nèi)核的通信；n 系統(tǒng)允許的最大線程數(shù)限制弱得多；e) 采用多線程的程序設(shè)計(jì)技術(shù)，可以更好提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能（如吞吐量、計(jì)算速度和響應(yīng)時(shí)間等）。2）線程沒有獨(dú)立的用戶空間，同一進(jìn)程的多個(gè)線程位于同一用戶空間：線程在用戶空間的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n 有自己專有堆棧；n 有自己的運(yùn)行上下文；n 有自己的線程環(huán)境塊TEB以及內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TCBPEB在用戶空間的位置是固定的，PEB下方就是TEB，進(jìn)程中有幾個(gè)線程就有幾個(gè)TEB，每個(gè)TEB占一個(gè)4KB的頁面。 3）線程不可以參與資源分配：n 一個(gè)進(jìn)程內(nèi)可容納多個(gè)線程。進(jìn)程仍作為參與資源分配的最基本單位，但把線程作為調(diào)度的最基本單位，從而